A pesar del drástico cambio que la ingeniería de tejidos o las terapias con células madre han introducido en las estrategias terapéuticas actuales, todavía existe una falta de funcionalidades en los biomateriales disponibles para el desarrollo de scaffolds para diversas patologías (grandes defectos osteocondrales, osteoporosis, etc.) que afectan a una gran parte de la población. PIZAM aborda este reto aportando scaffolds piezoeléctricos innovadores mediante Fabricación Aditiva (FA) basada en extrusión de material para mejorar la regeneración ósea. Los scaffolds con piezoelectricidad apropiada son capaces de influir positivamente en el proceso de proliferación y diferenciación de células mesenquimales para la regeneración de hueso, ya que existe evidencia científica de la relevancia que tienen las cargas eléctricas superficiales en el proceso de mecanotransducción por el cual las cargas mecánicas influyen sobre la respuesta biomolecular en el tejido óseo (material piezoeléctrico).
Para ello, PIZAM desarrollará materiales innovadores basados en compuestos nanoestructurados conteniendo Ba(Ti,Zr)O3-(Ba,Ca)TiO3 (nanopartículas de óxido cerámico sin plomo con estructura de perovskita). Estos materiales piezoeléctricos se suelen sintetizar mediante una reacción de estado sólido a alta temperatura o métodos basados en disoluciones, que son complejos, costosos y poco respetuosos con el medio ambiente. En PIZAM, la cerámica piezoeléctrica nanoestructurada se obtendrá por mecanosíntesis, una alternativa ecológica con menores costos de producción, desechos y consumo de energía. Las nanopartículas producidas se dispersarán en dos matrices poliméricas: PVDF (biocompatible y con elevada piezoelectricidad) y PLA (biocompatible, biorreabsorbible, baja toxicidad, alto rendimiento mecánico y con cristalinidad/piezoelectricidad ajustable).
Los materiales desarrollados serán procesados para obtener pellets/polvos que se utilizarán como materia prima para la producción de filamentos por extrusión. Estos filamentos se someterán a pruebas de procesabilidad en un equipo de FA de extrusión de material para optimizar los parámetros del proceso mediante algoritmos genéticos e interpolación Kriging. Durante las etapas de fabricación, se llevarán a cabo diferentes caracterizaciones para analizar el efecto de estos procesos en las propiedades fisicoquímicas/piezoeléctricas.
A continuación, se llevará a cabo un proceso de optimización del diseño de los scaffolds para la regeneración del tejido óseo mediante análisis por elementos finitos y algoritmos genéticos. Las estructuras óptimas se producirán por FA y se caracterizarán (propiedades mecánicas y piezoeléctricas). En el caso de scaffolds basados en PLA, se evaluará la evolución de estas propiedades a lo largo del tiempo de degradación. Aprovechando el efecto piezoeléctrico, se realizará una evaluación de las capacidades de los scaffolds para la monitorización en tiempo real.
Por último, el rendimiento biológico de los scaffolds se confirmará mediante un modelo in vitro con células mesenquimales y diferentes estímulos mecánicos para activar el efecto piezoeléctrico: una evaluación inicial sin estimulación (control); estimulación por ultrasonidos; y estimulación en un biorreactor de perfusión. Se analizará la proliferación, viabilidad y diferenciación de las células madre para comprender la relación en el proceso de mecanotransducción y su efecto en la respuesta biológica de los scaffolds.
